Disaerazione altamente efficiente dei liquidi con gli ultrasuoni

Mentre il degasaggio o il degassamento è spesso una fase del processo che richiede molto tempo, gli ultrasuoni possono accelerare notevolmente la coalescenza delle bolle di gas e la loro risalita. Il degasaggio a ultrasuoni può essere utilizzato in configurazioni batch e in linea e può essere combinato con tecniche di degasaggio convenzionali come lo sparging con gas inerti, i degasatori a girante, il riscaldamento o il vuoto per aumentare l'efficienza e la velocità di rimozione dei gas.

Rimozione del gas dai liquidi

I termini disaerazione, degassificazione e degassamento si riferiscono alla rimozione di gas liberi e disciolti, in particolare di gas reattivi come ossigeno o CO2, da un fluido. L'eliminazione dell'ossigeno è importante per prevenire alterazioni dannose del prodotto finale e migliorare la lavorazione a valle. Il degasaggio è una fase di lavorazione necessaria per molte applicazioni e industrie. Nella produzione industriale, il degasaggio è una fase di processo comune per garantire la stabilità del prodotto, la qualità e gli standard di prodotto continui. L'ossigeno è un fattore che influenza la qualità e la stabilità del prodotto a vari livelli.
Pertanto, la disaerazione è una fase di processo consolidata nel settore alimentare. & bevande, chimica, farmaceutica e cosmetica. Ma anche nei laboratori, i campioni richiedono spesso il degassamento prima dell'analisi (ad esempio, prima dell'HPLC, dei saggi, della misurazione delle particelle, ecc.)
Spesso i processi di miscelazione che utilizzano, ad esempio, miscelatori a lama o a girante ad alto taglio rendono necessario un successivo degasaggio del prodotto, poiché queste tecniche di miscelazione introducono comunemente elevate quantità di gas nel prodotto. Tali inclusioni di gas e aria hanno solitamente effetti negativi sul prodotto, in quanto possono irrancidire i grassi e gli oli, deteriorare i prodotti mediante ossidazione, scolorimento e alterazioni indesiderate dell'odore e del gusto. Poiché i prodotti degassificati sono chimicamente più stabili e hanno una durata di conservazione più lunga, la degassificazione è una fase di lavorazione essenziale che richiede una tecnica affidabile.
 

Degassificazione a ultrasuoni: Le bolle di gas intrappolate vengono rimosse dall'olio utilizzando l'ultrasuonatore UP400St

Degasificazione e disaerazione a ultrasuoni

La degassificazione e la deaerazione a ultrasuoni sono un'alternativa molto potente ai metodi tradizionali di degassificazione dei liquidi, che comprendono l'ebollizione, la riduzione della pressione al vuoto o lo sparging con gas inerti. Questi metodi tradizionali di degassificazione presentano spesso svantaggi quali la degradazione termica (dovuta al riscaldamento), un processo che richiede tempo ed energia e/o una rimozione insufficiente dei gas. Il degasaggio a ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica. Quando le onde ultrasonore ad alta potenza vengono accoppiate a un liquido, questo viene compresso ed espanso rispettivamente durante i cicli di alta e bassa pressione. Durante i cicli di bassa pressione, si creano minuscole bolle di vuoto (le cosiddette bolle di cavitazione), che crescono per diversi cicli di pressione. Durante questi cicli di crescita delle bolle, i gas disciolti nel liquido entrano nella bolla di vuoto, trasformandosi in bolle di gas in crescita. Inoltre, le microturbolenze e i getti di liquido causano un'intensa agitazione e un trasferimento di massa. Queste condizioni generate dagli ultrasuoni provocano la coalescenza delle bolle di gas, ovvero l'unificazione delle piccole bolle di gas disciolte in bolle di gas più grandi, che salgono rapidamente alla superficie del liquido, dove lasciano il liquido.
Le variazioni di temperatura causate dalle vibrazioni ultrasoniche e dalla cavitazione sono limitate a spazi locali molto piccoli e l'aumento di temperatura nel volume totale può essere trascurato in quanto non interferisce con la qualità del prodotto.
 

Diminuzione dell'ossigeno disciolto con il tempo per una frequenza ultrasonica di 24 kHz utilizzando il sonicatore UP400ST ad ampiezze del 100%, 80%, 60%, 40% e 20%.
Studio: ©Rognerud et al., 2020.

 
A seconda del volume, della viscosità e delle inclusioni gassose del liquido o del fango, la disaerazione a ultrasuoni può essere eseguita come processo in batch o in linea. Una sonda a ultrasuoni ad alta potenza emette cavitazione acustica nel liquido, che viene così degassato in modo efficiente.
La degassificazione a ultrasuoni può essere implementata anche per migliorare i sistemi di degassificazione già esistenti, come il riscaldamento, il vuoto o lo sparging.
Il degasaggio e la defoamazione a ultrasuoni sono utilizzati su scala industriale per rimuovere i gas disciolti da acqua, oli, alimenti e bevande, soluzioni chimiche, fluidi idraulici, refrigeranti, fluidi di perforazione, petrolio greggio, emulsioni, pitture, inchiostri, adesivi, vernici, rivestimenti, epossidici, shampoo, detergenti e molti altri prodotti.
 

Degassificazione a ultrasuoni utilizzando una cella di flusso. L'esperimento ha riguardato un prototipo di anello d'acqua su piccola scala con un volume di 0,8 galloni, un flusso di gas inerte di 0,2 sfcm/min e un'intensità di 275 W/cm2. Il tempo di rimozione dell'ossigeno è stato ridotto di circa il 70%.
Studio e immagine: Rubio et al. 2016

Degassificazione a ultrasuoni in una configurazione in linea utilizzando l'ultrasuonatore UIP1000hdT con cella a flusso.

Sparging potenziato a ultrasuoni

Lo sparging di liquidi con gas inerte (noto anche come spurgo di gas inerte) è un trattamento comune per rimuovere dal liquido gas indesiderati come ossigeno e anidride carbonica. Per le applicazioni di sparging si utilizzano comunemente azoto, argon, elio e altri gas inerti. Il gorgogliamento di una soluzione con un gas di elevata purezza (tipicamente inerte) può eliminare i gas disciolti indesiderati, tipicamente reattivi, come l'ossigeno e l'anidride carbonica. Il processo di sparging si basa sul trasferimento di massa ed è di per sé una procedura piuttosto lenta. Per intensificare lo sparging con gas inerti, la soluzione liquido-gas viene spesso agitata vigorosamente e gorgogliata a lungo. L'ultrasuonoterapia è una tecnica di degassificazione-intensificazione che migliora il trasferimento di massa e quindi lo sparging in modo significativo. Quando le onde ultrasonore ad alta potenza vengono accoppiate a liquidi o fanghi, si generano bolle di cavitazione. Queste bolle di cavitazione rompono le bolle di gas di spurgo più grandi in piccole bolle e disperdono le bolle in modo uniforme, ottenendo effetti di degassificazione più rapidi e puliti. L'intensa agitazione e le turbolenze create dagli ultrasuoni favoriscono il trasferimento di massa gas-liquido e quindi la rapida rimozione dei gas indesiderati.
Per accelerare e rendere più efficiente la procedura di sparging, si ricorre agli ultrasuoni ad alte prestazioni per migliorare sonomeccanicamente le prestazioni di trasferimento di massa tra gas e liquido. Gli effetti sonomeccanici generati dalla cavitazione acustica comprendono differenziali locali di pressione e temperatura, microturbolenze e agitazione. Queste forze migliorano le prestazioni di degassificazione contribuendo a un aumento del trasferimento di massa diffusivo dovuto alla rottura delle bolle, alla dispersione e al conseguente aumento dell'area interfacciale, che si traduce infine in una rapida rimozione dei gas intrappolati dal liquido.
Per ottenere gli effetti di degassamento desiderati, è necessaria un'ultrasuonizzazione ad alta potenza. Quando un liquido viene risparmiato con un gas inerte in un flusso bifase, si desidera una diffusione rettificata per aumentare il trasferimento di massa e il tasso di rimozione dei gas disciolti. L'applicazione della diffusione rettificata può essere difficile perché le bolle di gas intrappolate e disciolte tendono a evitare di entrare nel campo di cavitazione ultrasonica a basse intensità. Tuttavia, a intensità elevate (superiori a 300 W/cm² a circa 20 kHz) le bolle di gas non evitano più la zona di cavitazione e vengono spezzate dalle forze sonomeccaniche. (cfr. Jagannathan et al. 2011)

Sistemi di degassificazione a ultrasuoni ad alta potenza

Hielscher Ultrasonics vanta una lunga esperienza nella produzione di apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni, utilizzate in tutto il mondo nei laboratori e nella produzione industriale. La degassificazione di liquidi e fanghi è un'applicazione impegnativa che richiede sonde a ultrasuoni ad alta potenza in grado di accoppiare ampiezze stabilite nei liquidi per rimuovere le bolle di gas e le sacche d'aria intrappolate. Tutti i dispositivi a ultrasuoni Hielscher sono progettati e realizzati per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico. I processori a ultrasuoni sono disponibili da ultrasuonatori da laboratorio compatti da 50 watt a potenti sistemi a ultrasuoni in linea da 16.000 watt. Un'ampia varietà di trombe di spinta, sonotrodi e celle di flusso consente di configurare un sistema di degassificazione a ultrasuoni in base al liquido, alla viscosità e alle inclusioni di gas.
Per la deaerazione e il degassamento dei metalli liquidi, è necessario impostare e mantenere con precisione le ampiezze. Hielscher Ultrasonics produce sonde a ultrasuoni ad alte prestazioni che sono specificate per ampiezze e temperature ottimizzate per il processo. Se la vostra applicazione di degassificazione richiede specifiche insolite, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.

Batch e Inline

Le sonde a ultrasuoni Hielscher per la degassificazione possono essere utilizzate per la degassificazione e la disaerazione in linea in batch e in continuo. A seconda del volume, della viscosità e dei gas intrappolati, vi consiglieremo la configurazione di degassificazione a ultrasuoni più adatta.

Sonde a ultrasuoni per il degassamento di qualsiasi volume

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai compatti ultrasuoni da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di trattare carichi di camion all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'apparecchiatura di degassificazione a ultrasuoni più adatta ai vostri liquidi, alla capacità di processo e agli obiettivi di produzione.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i sistemi di degassificazione a ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia della degassificazione indotta dagli ultrasuoni. Tutti gli ultrasuoni Hielscher’ I processori consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I sonotrodi e le trombe di rinforzo sono accessori che consentono di modificare l'ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher sono in grado di fornire ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni più complesse. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Le impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni tramite un software intelligente consentono di regolare i parametri del processo a ultrasuoni per una degassificazione a ultrasuoni più efficace. Sonicazione ottimale per una rimozione dei gas altamente efficiente!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa i requisiti del processo di disaerazione.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

In quanto azienda a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuonatori sono progettati, prodotti e testati a fondo nella nostra sede centrale di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l'affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher ne fanno un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico e in ambienti difficili è una caratteristica naturale dei degasatori ad alte prestazioni di Hielscher.